4章(微粒控制机理与方法).

室内污染控制与洁净技术空气中悬浮的微粒污染将直接影响到各生产工艺和产品的质量。良好的生产环境是保证产品质量、提高生产效率的必要条件。为了有效控制空气中微粒对生产环境的污染,必须对空气中微粒的类型、微粒运动特性、分布规律及其影响因素等全面了解,在此基础上提出相应的控制方法与策略。本章节针对上述内容讨论空气中微粒控制一些基本理论和方法。概述：第四章：空气中微粒控制机理与方法室内污染控制与洁净技术微粒控制技术基础4.1微粒控制技术4.2空气过滤器及其应用4.3静电过滤技术4.4第四章：空气中微粒控制机理与方法室内污染控制与洁净技术由ISO中指出,气溶胶系指沉降速度可以忽略的固体粒子、液体粒子或固体和液体粒子在气体介质中的悬浮体。概述：4.1微粒控制技术基础了解空气中微粒的特性,及其在空气中如何运动及其分布规律是空气洁净技术(微粒控制)的重要基础。微粒:气溶胶状态污染物俗称为微粒。室内污染控制与洁净技术1.微粒的分类1)按微粒来源分类①无机性微粒:如金属尘粒、矿物尘粒和建材尘粒等。②有机性微粒:如植物纤维;动物毛、发、角质、皮屑;化学染料和塑料等。③生物微粒:如各种藻类、菌类、原生动物和病毒等。2)按微粒形成方式分类①分散性微粒:系指固体或液体在分裂、破碎、气流和振荡等作用下变成悬浮状态的粒子。②凝结性微粒:指通过燃烧、升华、蒸气凝结及气体反应而形成的粒子。3)按微粒大小分类微粒大小为10-7～10-1cm,随着微粒大小的变化,其物理性质和规律都将发生变化。①可见微粒:肉眼可见,微粒直径大于10μm。②显微微粒:在普通显微镜下可以看见,微粒直径为0.25～10μm。③超显微微粒:在超显微镜或电子显微镜下可以看见,微粒直径小于0.25μm。4.1.1微粒的类型、粒径及其统计分布4.1微粒控制技术基础室内污染控制与洁净技术在ISO14644－1标准中,将微粒直径为0.1～0.5μm的称为微粒,将微粒直径小于0.1μm的称为超微粒,而将直径大于0.5μm的称为大粒子。4)按微粒通俗分类①灰尘:包括所有固体分散性微粒。这类微粒在空气中的运动受到重力、扩散等多种因素的作用,它是空气洁净技术接触最多的一种粉尘微粒。②烟:包括所有固态凝结体微粒以及液态粒子和固态粒子因凝结作用而产生的微粒,还有从液态过渡到结晶态粒子而产生的微粒。一般情况下,烟的微粒大小远在0.5μm以下(如香烟的烟、木材的烟、油烟、煤烟等),在空气中主要做布朗运动,有相当强的扩散能力。在静止空气总很难沉降。③雾:包括所有液态分散性微粒和液态凝集性微粒。其微粒大小因生成状态而异,介于0.1～10μm之间。微粒运动性质主要受斯托克斯定律支配。例如,从SO2气体产生的硫酸雾,因加热和压缩空气的作用产生油雾。④烟雾:包括液态和固态,既含有凝集性微粒,又含有分散性微粒。微粒大小从十分之几微米到几十微米。4.1微粒控制技术基础图4.1为气溶胶微粒的大小和范围。室内污染控制与洁净技术图4.1微粒的大小和范围4.1微粒控制技术基础室内污染控制与洁净技术2.微粒粒径1)单一微粒粒径在洁净技术中,粒径是指通过微粒内部的某个长度因次,并不含有规则几何形状的意义,只是便于比较粒子大小的一种“名义尺寸”。粒径的确定可分为2大类：一类是按微粒几何性质直接进行测定和定义的，如显微镜法确定的粒径；另一类是按微粒某种物理性质间接进行测定和定义的。如采用光电法、沉降法确定的直径，实际上是一种当量直径或等价直径。①显微镜观测法4/HdA用显微镜测定时,可采用以下3种方法表示,如图4.2所示:(1)定向直径dF;(2)定向面积等分直径dM;(3)投影圆直径dH。4.1微粒控制技术基础室内污染控制与洁净技术图4.2用显微镜观察粒径的3种方法沉降直径dS表示在静止空气中沉降速度与所测微粒沉降速度相等的、具有和微粒相同密度的球体直径。空气动力学直径da表示在空气中与微粒的沉降速度相等的单位密度的球的直径。若用表示微粒单位密度,则da为：1/2aspddPp②沉降法4.1微粒控制技术基础室内污染控制与洁净技术③光散射法用光散射式粒子计数器测定时,可得到等体积直径de,表示与微粒体积相等的球的直径。若微粒体积为V，则de为:36eVd2)平均粒径气溶胶粒子是粒径不等的粒子集合体,由于微粒的形状各不相同，为了简便地反映所研究的粒子群的全部粒子的粒径特征,通常用“平均粒径”的概念。算术平均粒径：1()nddn式中:d--粒子直径；n--粒子个数。4.1微粒控制技术基础室内污染控制与洁净技术名称计算公式物理意义几何平均粒径单一粒径的几何平均值面积长度平均粒径表面积总和除以直径总和体面积平均粒径全部粒子的体积除以总面积体积平均粒径与粒子总个数和总体积相等的均一球径质量平均粒径质量等于总质量,数目等于总个数的等粒子径表面积平均粒径总表面积除以总个数的平方根比表面积平均粒径由粒子的比表面积a计算的粒径中位粒径筛上累计分布为50%时的粒径众粒径粒径分布中频率最高的粒径1123(,,,,)ngnddddd21sdndnd32vsdndnd1/33vdndn43mdndnd1/22sdndn6/()pda50ddd表4.1平均粒径的计算公式4.1微粒控制技术基础室内污染控制与洁净技术3.粒径分布在空气洁净技术中,经常要接触许多关于微粒大小的数据,尽管微粒大小的数据看上去是杂乱无章的,但通过对这些微粒数据做一番科学的整理分析,就可找出微粒按粒径分布和按密度分布的规律,从而可为测尘、防尘、除尘和净化采取技术措施提供理论依据。表4.2给出了以粒数分布表示的微粒频率分布。序号粒径间隔/μm间隔中值/μm微粒个数/个相对频率/%筛下累积分布/%10～0.050.025170.060.0620.05～0.10.0759912.0314.0930.1～0.20.1542952.1366.2240.2～0.40.322527.3493.5650.4～0.60.5404.8698.4260.6～1.00.8131.58100合计823100--表4.2频率分布4.1微粒控制技术基础室内污染控制与洁净技术图4.3粒径相对频率分布图4.3给出了微粒分布的频率。图中虚线则为由直方图光滑后的粒径分布曲线。4.1微粒控制技术基础室内污染控制与洁净技术4.1.2室内微粒运动特性及影响因素1.微粒运动特性微粒伴随着气流力、惯性力、沉降和扩散而运动。作用于微粒上的力大致可分为:①质量力；②分子作用力；③场力(如电磁场力、浓度、温度场力等)；④粒子间的吸引力；⑤气流力。对于洁净室的污染控制来说,气流力(这里是指送、回风气流和热对流及人工搅动引起的气流力等)的影响因素最大；其次为质量力(重力、惯性力)、分子扩散力。1)微粒的重力沉降作用图4.4为空间中的微粒,将受到重力F1、浮力F2和介质阻力F3的共同作用。4.1微粒控制技术基础室内污染控制与洁净技术()3.62ppasadv当阻力、浮力、重力平衡,即F1-F2=F3时,微粒达到等速沉降,此时的速度v=vs,称vs为沉降速度或斯托克斯速度(m/s),可由斯托克斯速度式求出：式中：—微粒直径(m);—微粒和空气的密度(kg/m3);—阻力系数。取决于微粒在气流中的流动状态。,papd24Re对于非球形微粒,当达到等速沉降时,其沉降速度vs(cm/s)(斯托克斯速度)可简化为：20.54ppsdv式中,在气溶胶技术中一般设=1000kg/m3,而对大气尘微粒一般设=2000kg/m3,若以大气尘微粒密度为例,则可得到vs与关系式:pdpp220.610spvd图4.4球形微粒沉降时受到的力4.1微粒控制技术基础室内污染控制与洁净技术从计算结果可以得出,对于＝1μm的微粒,vs＝0.006cm/s,从工作区(离地面0.8m)降到地面就需4h;而对于0.5μm以下的微粒,其扩散距离接近甚至超过了沉降距离,所以就更不容易沉降了。因此,重力沉降作用对极小微粒不会有多大影响。pd2)惯性力对微粒运动的影响微粒在惯性力作用下的运动,就是在获得初速度后,外力随即消失而只依靠惯性力作用下的运动。/0(1)tCtSCve当t→∞时,即可求得稳定时微粒惯性运动距离SR为：0RSCv根据牛顿定律,结合斯托克斯方程即可推导出微粒运动与时间t的关系式为：4.1微粒控制技术基础室内污染控制与洁净技术式中：—微粒获得的初速度,cm/s;C—微粒滑动修正系数,其值随粒径增大而减小;—表征微粒从某一初始稳定状态变化到某一终了稳定状态所需的时间。在气溶胶力学中被称为“张弛时间”。0v表4.3给出了微粒在惯性力作用下的运动状态。表4.3在惯性力作用下(2000C)时微粒(=2g/cm3)的水平运动距离p粒径/μmSR/cmv0=100cm/sv0=1000cm/s100.060.650.0160.1610.00070.007由表中可见,以1000cm/s的初速度被抛射出去的微粒,由于速度迅速衰减,所以微粒水平运动的距离极短,单靠机械力飞扬是不大现实的。4.1微粒控制技术基础室内污染控制与洁净技术3)微粒的扩散运动空气中的微粒由于与做布朗运动的空气分子相撞击而产生显著不均衡位移,如图4.5所示。图4.5分子和微粒的扩散运动微粒扩散的平均位移量为：4DDtS式中：t—时间，s；D—微粒的分子扩散系数，cm2/s。4.1微粒控制技术基础室内污染控制与洁净技术表4.4给出了不同粒径的扩散运动距离。粒径/μmSD/cm粒径/μmSD/cm101.23×10-414.02×10-451.74×10-40.55.90×10-422.78×10-40.11.68×10-3表4.4t=1s的微粒扩散运动距离从表中可见,微粒单依靠扩散而运动的距离是微不足道的。4)微粒在表面上的沉积微粒在表面上的沉积分室内有送风和无送风2种情况，前者比后者的表面沉积要大得多，且有送风的洁净环境相对无送风情况多得多。所以，这里只介绍前一种情况。4.1微粒控制技术基础室内污染控制与洁净技术微粒在送风室内表面上的沉积的计算，日本学者菅原文子等曾给出了简化计算公式：sgNNvft式中：Ng——沉积在表面上的微粒数；f——沉积面积；t——沉积的时间；N——洁净室的含尘浓度。上式中，只考虑了微粒的沉降沉积的作用，而在实际的送风室内，气流中的微粒是通过多种途径沉积到平面上的，除沉降沉积外，还有惯性沉积、拦截沉积、扩散沉积等因素的影响，考虑到这些因素的影响，对上式进行了修正，修正系数用α表示，则上式变为：sgNfNvt式中：α——修正系数,与粒径有关的参数,由表4.5选取。4.1微粒控制技术基础室内污染控制与洁净技术表4.5α值（≥30cm平面）粒径/μm10.70.40.30.250.180.1α11.251.52.34.5910若假设洁净室含尘浓度为N=1000pc/L=1pc/cm3，对于空气中0.5μm以上的标准粒径分布可算出:ds=0.98μm≈1μm，即洁净室空气中0.5μm的微粒沉积量,可以看作全都是直径为1μm的微粒的沉积量。这样就可以计算出当空气含尘浓度为1000pc/L,具有0.3m/s气流速度的洁净室内每小时每平方厘米面积上总微粒沉积量为：321.30.006/36001/28/gcmsspccmpcNcm由计算结果可知，微粒在垂直表面上的沉积量和在底（平）面上的沉积量相比是很小的，所以对洁净室墙面要求用高级的不锈钢之类材料是完全没有必要的。4.1微粒控制技术基础室内污染控制与洁净技术2.气流对微粒运动的影响从上述的讨论中可以看出,微粒在重力、惯性力和扩散力作用下,自身运动的速度和距离是很微小的,对于1μm微粒来说,其运动速度在0.004～0.006cm/s,而室内气流的速度(包括热气流的对流速度)则一般在0.1m/s以上。在运动的气流中,小微粒几乎以完全相同的速度跟随气流运动,只是相对于气流有一个滞后的时间,但这对所研究的问题便没有影响。所以,在室内